(57)【要約】【課題】  水素閉塞型の燃料電池システムにおいて、安定した状態で燃料電池を運転することができ、かつ、燃料電池の燃費を向上させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システムの構成を、主燃料電池１０と、主燃料電池１０に接続された水素ガス排出経路２１と、水素ガス排出経路２１に設けられた第１の開閉弁２２と、水素ガス排出経路２１に接続された小容量燃料電池３０と、小容量燃料電池３０に接続された反応阻害物質排出経路４０と、反応阻害物質排出経路４０に設けられた第２の開閉弁４１とを備えた構成とする。そして、主燃料電池１０を発電させる場合、第１の開閉弁２２を開け、第２の開閉弁４１を閉じた状態とする。一方、反応阻害物質を排出する場合では、第１の開閉弁２２を閉じ、第２の開閉弁４１を開けた状態とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと酸素ガスとが供給され、これらの電気化学反応により電気エネルギを発生させる第１の燃料電池（１０）と、
前記第１の燃料電池（１０）に接続され、前記第１の燃料電池（１０）に供給された水素ガスのうち、電気化学反応に用いられずに、前記第１の燃料電池から排出された水素ガスが通過する水素ガス排出経路（２１）と、
前記水素ガス排出経路（２１）を介して、前記第１の燃料電池（１０）と接続され、前記第１の燃料電池（１０）よりも最大出力が小さい第２の燃料電池（３０）と、
前記第２の燃料電池（３０）に接続され、前記第２の燃料電池（３０）の水素極側から排出された電気化学反応を阻害する反応阻害物質が通過する反応阻害物質排出経路と、
前記水素ガス排出経路（２１）内に配置され、前記水素ガス排出経路（２１）を開閉する第１の開閉弁（２２）と、
前記反応阻害物質排出経路（４０）内に配置され、前記反応阻害物質排出経路（４０）を開閉する第２の開閉弁（４１）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２の燃料電池（３０）の内部における水素濃度、水分量が適正か否かを判定する判定手段（５０）を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記判定手段（５０）は、前記第２の燃料電池（３０）を構成する複数のセルのうち、前記第２の燃料電池（３０）における水素ガス入口側に位置する第１のセルの出力電圧と、水素ガス出口側に位置する第２のセルの出力電圧とを、それぞれ、前記第２の燃料電池（３０）の内部での水素濃度、水分量が適正な状態のときにおける前記第１、第２のセルの電圧と比較することで、前記第２の燃料電池（３０）の内部における水素濃度、水分量を判定するようになっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記判定手段（５０）の判定結果に応じて、前記第１、第２の開閉弁（４１）の開閉を制御する制御手段（５０）を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電システムに関するものであり、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体への適用に対して有効なものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとしては、高分子電解質型燃料電池に対して水素ガス給排系を含む循環経路により水素ガスを循環させて供給するもの（いわゆる水素循環供給型の燃料電池システム）であって、その循環経路に循環経路内を大気に開放する大気開放弁が設けられたものがある。
【０００３】
この燃料電池システムでは、燃料電池内の酸化剤極から高分子電解質膜を透過した水や窒素等が、水素ガスの循環経路内に混入し、循環経路内における水素濃度が低下したとき、大気開放弁を開放することで、水や窒素等の起電反応を阻害する物質（以下では、反応阻害物質という）を間欠的に除去している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２４３４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、水素ガスを燃料電池に供給する方法としては、上記したように水素ガスを循環させて供給する方法の他に、水素ガスを循環させず、燃料電池の起電反応に必要な量の水素ガスを、燃料電池に供給する方法が考えられる。以下では、このようにして水素ガスが供給される燃料電池システムを水素閉塞型の燃料電池システムと呼ぶ。
【０００５】
このような水素閉塞型の燃料電池システムにおいては、高分子電解質型燃料電池内で、燃料電池を構成する複数のセルのそれぞれにおける水素供給口から離れた部位、すなわち、全てのセルにおける水素通路の末端側から順に、反応阻害物質が溜まっていく。このため、全てのセルにおいて、水素通路の末端側から水素供給口に向かって、順に、水素濃度が低下するので、燃料電池の発電効率が悪くなる。
【０００６】
そこで、水素閉塞型の燃料電池システムの構成において、反応阻害物質を燃料電池外に排出するための反応阻害物質排出経路を燃料電池の水素極側に接続し、この排出経路内に大気開放弁を設けた構成とすることが考えられる。そして、発電時では、開放弁を閉じた状態とするが、燃料電池内の水素経路中に反応阻害物質が増加し、燃料電池の発電効率が低下した時では、上記した水素循環供給型の燃料電池システムと同様に、大気開放弁を開放する。このようにして、水素閉塞型の燃料電池システムにおいても、反応阻害物質を燃料電池内から間欠的に排出させることが考えられる。
【０００７】
しかし、水素閉塞型であって、間欠的に反応阻害物質を除去する燃料電池システムでは、燃料電池の発電効率が低下した時に、反応阻害物質の除去を行うため、一時的ではあるが、全てのセルの末端側に反応阻害物質が溜まる。このため、一時的に、燃料電池の発電効率が低下する場合が生じてしまう。
【０００８】
また、上記した水素閉塞型の燃料電池システムでは、大気開放弁を開放したとき、反応阻害物質とともに、燃料電池内に存在する水素ガスも全て排出される。このため、燃料電池の発電が止まってしまう
このように、上記した水素閉塞型の燃料電池システムでは、一時的に燃料電池の発電効率が低下したり、燃料電池の発電が止まったりすることから、安定した状態で燃料電池を運転することができないという問題が発生するおそれがある。
【０００９】
また、上記した燃料電池システムでは、大気開放弁を開放したとき、燃料電池内に存在する水素ガスも全て排出されるため、燃料電池の燃費が悪いという問題もある。
【００１０】
本発明は、上記点に鑑み、水素閉塞型の燃料電池システムにおいて、安定した状態で燃料電池を運転することができ、かつ、燃料電池の燃費を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素ガスと酸素ガスとが供給され、これらの電気化学反応により電気エネルギを発生させる第１の燃料電池（１０）と、  第１の燃料電池（１０）に接続され、第１の燃料電池（１０）に供給された水素ガスのうち、電気化学反応に用いられずに、第１の燃料電池から排出された水素ガスが通過する水素ガス排出経路（２１）と、水素ガス排出経路（２１）を介して、第１の燃料電池（１０）と接続され、第１の燃料電池（１０）よりも最大出力が小さい第２の燃料電池（３０）と、第２の燃料電池（３０）に接続され、第２の燃料電池（３０）の水素極側から排出された電気化学反応を阻害する反応阻害物質が通過する反応阻害物質排出経路と、水素ガス排出経路（２１）内に配置され、水素ガス排出経路（２１）を開閉する第１の開閉弁（２２）と、反応阻害物質排出経路（４０）内に配置され、反応阻害物質排出経路（４０）を開閉する第２の開閉弁（４１）とを備えることを特徴としている。
【００１２】
第１の燃料電池を発電させる場合、第１の開閉弁を開け、第２の開閉弁を閉じておく。そして、第１の燃料電池に水素ガスを供給すると、第１の燃料電池から未反応水素ガスが第２の燃料電池に入る。これは、第１の燃料電池の内部における水素ガスの通路と、第２の燃料電池の内部における水素ガスの通路とが直列に接続されており、第２の燃料電池の発電開始前であれば、第２の燃料電池内に水素が存在せず、また、発電時においても、第２の燃料電池内で水素ガスが発電に使用されるため、第２の燃料電池内の水素濃度が、第１の燃料電池内よりも低いからである。
【００１３】
すなわち、本発明によれば、第２の燃料電池が水素ガスを流すポンプの役割を果たすので、第１の燃料電池の内部において、水素ガスの流れを形成することができる。したがって、第１の燃料電池の内部における水素極側近傍や水素経路等に、起電反応を阻害する窒素等の反応阻害物質が留まるのを抑制することができる。
【００１４】
これにより、本発明によれば、上記発明が解決する課題の欄で説明した単なる水素閉塞型の燃料電池と比較して、一時的に発電効率が低下するのを抑制することができる。
【００１５】
また、この反応阻害物質は、第１の燃料電池よりも先に第２の燃料電池内に留まるので、反応阻害物質を燃料電池システムから排出する場合、第１の開閉弁を閉め、第２の開閉弁を開ける。このとき、第１の開閉弁を閉めることで、第２の開閉弁を開けて、第２の燃料電池内に存在する反応阻害物質を外部に排出しても、第１の燃料電池内に存在する水素ガスが、第１の燃料電池の外部に排出されるのを防ぐことができる。
【００１６】
これにより、本発明によれば、第１の燃料電池の発電を止めることなく、反応阻害物質を燃料電池システムの外部に排出することができる。以上のことから、本発明によれば、安定した状態で燃料電池を運転することができる水素閉塞型の燃料電池システムを提供することができる。
【００１７】
これらのことから、本発明によれば、単なる水素閉塞型の燃料電池と比較して、燃料電池の燃費を向上させることができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明では、第２の燃料電池（３０）の内部における水素濃度、水分量が適正か否かを判定する判定手段（５０）を有することを特徴としている。
【００１９】
第２の燃料電池には、第１の燃料電池から未反応水素ガスが供給される。このため、第１の燃料電池内部の水分量が多い場合、その水分が水素ガスとともに、第２の燃料電池に流れこむ。したがって、第１の燃料電池内部の水分量が多い場合、第２の燃料電池内部での水分量も多くなる。一方、第１の燃料電池内部の水分量が少ない場合、第２の燃料電池内部での水分量も少なくなる。
【００２０】
そこで、判定手段により、第２の燃料電池内部における水分量が適正か否かを判定する。その結果、第２の燃料電池内部の水分量が多い場合であれば、第１の燃料電池内部の水分量が多く、第２の燃料電池内部の水分量が少ない場合であれば、第１の燃料電池内部の水分量が少ないことがわかる。
【００２１】
また、窒素等の反応阻害物質は、第１の燃料電池の水素ガス供給口から遠い部位から順に増える。請求項１に記載の発明では、第１の燃料電池の内部における水素ガス通路と、第２の燃料電池の内部における水素ガス通路とが直列に接続されている。したがって、第１の燃料電池の水素ガス供給口から最も遠い第２の燃料電池の内部から、反応阻害物質の量が第１の燃料電池内部よりも先に増え、水素濃度が低下する。
【００２２】
そこで、本発明のように、判定手段により、第２の燃料電池内部の水素濃度が適正か否か判定する。その結果、水素濃度が低い場合であれば、第２の燃料電池内部に反応阻害物質が多くなっているので、第１の燃料電池内部に反応阻害物質が存在し始めることを予測することができる。
【００２３】
具体的には、請求項３に示すように、判定手段（５０）に、第２の燃料電池（３０）を構成する複数のセルのうち、第２の燃料電池（３０）における水素ガス入口側に位置する第１のセルの出力電圧と、水素ガス出口側に位置する第２のセルの出力電圧とを、それぞれ、第２の燃料電池（３０）の内部での水素濃度、水分量が適正な状態のときにおける第１、第２のセルの電圧と比較することで、第２の燃料電池（３０）の内部における水素濃度、水分量を、判定させることができる。
【００２４】
そして、請求項４に示すように、例えば、判定手段（５０）の判定結果に応じて、第１、第２の開閉弁（４１）の開閉を制御する制御手段（５０）を設けることもできる。
【００２５】
すなわち、判定手段が第２の燃料電池内部の水素濃度が低いと判定したり、水分量が多いと判定したりした場合、制御手段によって、第１の開閉弁を閉じ、第２の開閉弁を開ける。これにより、第１の燃料電池で発電をし続けたまま、第２の燃料電池内部から、反応阻害物質を放出させることができる。
【００２６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、主燃料電池１０と、主燃料電池１０に接続された水素ガス供給経路２０と、主燃料電池１０に接続された水素ガス排出経路２１と、水素ガス排出経路２１を介して主燃料電池１０と接続された小容量燃料電池３０と、小容量燃料電池３０に接続された反応阻害物質排出経路４０と、水素ガス排出経路２１内に配置された第１の開閉弁２２と、反応阻害物質排出経路内に配置された第２の開閉弁４１と、この燃料電池システムにおける各種の制御を行うＥＣＵ５０とを主に備えている。
【００２８】
本実施形態と本発明との対応関係については、主燃料電池１０が第１の燃料電池に相当し、小容量燃料電池３０が第２の燃料電池に相当し、ＥＣＵ５０が判定手段、制御手段に相当する。
【００２９】
主燃料電池１０は、電解質として高分子膜が用いられた高分子電解質型燃料電池である。主燃料電池１０は、基本単位となるセルが複数積層されたスタックにより構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極（水素極、酸素極）で挟まれた構成となっている。
【００３０】
主燃料電池１０は、空気供給口１１と、空気排出口１２とを有している。空気（酸素）は、空気供給口１１から主燃料電池１０の内部に入り、各セルの酸素極に供給される。そして、空気（酸素）は、酸素極で後述する起電反応に用いられ、酸素極で起電反応に用いられなかった空気が、各セルから排出される。そして、各セルから排出された空気は、空気排出口１２から主燃料電池１０の外部に放出される。
【００３１】
また、主燃料電池１０は、水素ガス供給口１３と、水素ガス排出口１４とを有している。水素ガスは、水素ガス供給口１３から主燃料電池１０の内部に入り、各セルに設けられた水素ガス通路を通って、各セルの水素極に供給される。そして、水素は、水素極で後述する起電反応に用いられ、起電反応に用いられなかった未反応水素が、各セルの水素ガス通路を通って、各セルから排出される。各セルから排出された水素ガスは、水素ガス排出口１４から主燃料電池１０の外部に排出される。このとき、起電反応に用いられなかった水素ともに酸素極側から電解質膜を通過して混入した窒素、酸素、水（水蒸気）等も水素ガス排出口１４から排出される。
【００３２】
主燃料電池１０では、水素極、酸素極にそれぞれ水素ガス、空気（酸素）が供給されると、以下の水素と酸素の電気化学反応（起電反応）が起こり、電気エネルギが発生する。
アノード（水素極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード（酸素極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全体  Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
水素ガス供給経路２０は、燃料電池１０の水素ガス供給口１３に接続されている。水素ガス供給経路２０は、主燃料電池１０の内部に供給される水素が通る経路である。水素ガス供給経路２０には、水素ガスが充填された水素ボンベ２３が設けられている。水素ボンベ２３から主燃料電池１０へ水素ガスが供給される。
【００３３】
水素ガス排出経路２１は、燃料電池１０の水素ガス排出口１４に接続されている。水素ガス排出経路２１は、燃料電池１０から排出された起電反応に使用されなかった水素ガス等が通る経路である。水素ガス排出経路内に配置された第１の開閉弁２２は、水素ガス排出経路２１を開閉する弁であり、ＥＣＵ５０によって制御されるようになっている。
【００３４】
また、この燃料電池システムは、空気供給経路６１、空気排出経路６２を備えている。
【００３５】
空気供給経路６１は、燃料電池１０の空気供給口１１に接続されている。空気供給経路６１は、燃料電池１０の内部に供給される空気が通る経路である。空気供給経路６１には、空気圧送用のポンプ（ガス圧縮機）６３が設けられている。
【００３６】
一方、空気排出経路６２は、燃料電池１０の空気排出口１２に接続されている。空気排出経路６２は、燃料電池１０から排出された空気が通る経路である。空気排出経路６２には、燃料電池１０の排出側の空気圧力を調整する空気調圧弁６４が設けられている。空気調圧弁６４は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。
【００３７】
そして、燃料電池１０に空気を供給する際では、ＥＣＵ６１によって、ポンプ６３が駆動され、空気調圧弁６４で空気圧が調整される。
【００３８】
また、空気供給経路６１と空気排出経路６２には、加湿器６５が設けられている。この加湿器６５は、燃料電池１０から排出される湿った排出空気に含まれる水分を用いてポンプ６３の吐出後の空気を加湿するものである。加湿器６５は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。そして、ＥＣＵ６１によって、加湿器６５が作動することで、燃料電池１０内の電解質膜が、水分を含んだ湿潤状態に維持され、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようになっている。
【００３９】
小容量燃料電池３０は、主燃料電池１０よりも電気容量が小さい、すなわち、主燃料電池１０よりも最大出力が小さい燃料電池である。小容量燃料電池３０を用いている理由は、以下の通りである。水素閉塞型の燃料電池システムでは、主燃料電池１０に対して、過剰の水素を供給する必要がない。したがって、主燃料電池１０から排出される水素量は少ない。また、過剰の水素を供給することは燃料の燃費の向上という観点から好ましくない。このため、仮に、主燃料電池１０と同様の出力である燃料電池を小容量燃料電池３０の代わりに用いた場合、この燃料電池に水素ガスを十分に供給できないからである。
【００４０】
小容量燃料電池３０は、主燃料電池１０と同様に、高分子電解質型燃料電池である。小容量燃料電池３０は、例えば、２０個のセルによりスタックが構成されている。
【００４１】
小容量燃料電池３０は、主燃料電池１０と同様に、空気供給口３１、空気排出口３２、水素ガス供給口３３を有している。また、小容量燃料電池３０は、反応阻害物質排出口３４を有している。この反応阻害物質排出口３４は、小容量燃料電池３０の各セルにおける水素ガス通路の出口であり、ここから水素ガス通路中に溜まった窒素、水分等の反応阻害物質が排出されるようになっている。
【００４２】
そして、小容量燃料電池３０の水素ガス供給口３３には、水素ガス排出経路２１が接続されており、反応阻害物質排出口３４には、反応阻害物質排出経路４０が接続されている。
【００４３】
反応阻害物質排出経路４０は、小容量燃料電池３０から排出された反応阻害物質が通る経路である。反応阻害物質排出経路４０に設けられた第２の開閉弁４１は、反応阻害物質排出経路４０を開閉するものであり、ＥＣＵ５０によって制御されるようになっている。ＥＣＵ５０により、第２の開閉弁４１が開けられることで、小容量燃料電池３０の水素ガス通路内に存在する反応阻害物質が、燃料電池システムの外部に放出される。
【００４４】
また、小容量燃料電池３０の空気供給口３１には、小容量燃料電池用の空気供給経路７１が接続されており、小容量燃料電池３０の空気排出口３２には、小容量燃料電池用の空気排出経路７２が接続されている。
【００４５】
空気供給経路７１は、流量設定計７３を介して、空気排出経路６２の加湿器６５よりも下流側に接続されている。流量設定計７３は、小容量燃料電池３０に対して、発電に必要な空気量を供給するように、小容量燃料電池３０に供給される空気量を調整するものである。流量設定計７３はＥＣＵ５０により制御されるようになっている。
【００４６】
本実施形態では、主燃料電池１０から排出された空気が、流量設定計７３で流量が調整され、小容量燃料電池３０に供給される。なお、本実施形態では、主燃料電池１０から排出された空気が、加湿器６５を介して、小容量燃料電池３０に供給される。これにより、加湿器６５で、主燃料電池１０から排出された空気に含まれる水分が除去されるので、小容量燃料電池３０に水が多く含まれるのを防ぐことができる。
【００４７】
なお、本実施形態では、小容量燃料電池３０に供給される水素ガスの供給方向と、小容量燃料電池３０に供給される空気の供給方向は同じである。
【００４８】
また、この燃料電池システムは、負荷８１と、電力貯蔵手段８２と、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ８３と、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８４とを備えている。
【００４９】
負荷８１は、燃料電池１０と接続されている。負荷８１は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用した場合であれば、電動モータである。この場合、電動モータには、図示しないインバータを介して、燃料電池１０で発電した電力が供給される。
【００５０】
電力貯蔵手段８２は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ８３を介して、主燃料電池１０と接続されている。また、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８４を介して、小容量燃料電池３０と接続されている。電力貯蔵手段８２は、主燃料電池１０や小容量燃料電池３０から供給された電力を貯蔵するものである。電力貯蔵手段８２としては、一般的な二次電池が用いられている。
【００５１】
第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８３、８４は、主燃料電池１０および小容量燃料電池３０から出力された電圧を昇圧または降圧するものである。第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８３、８４としては、一般的なものが用いられている。
【００５２】
ＥＣＵ５０は、一般的なものであり、例えば、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）等を有している。ＥＣＵ５０には、負荷８１、電力貯蔵手段８２からの要求電力信号や、主燃料電池１０、小容量燃料電池３０の出力電圧を測定する図示しない電圧検出器からの電圧信号等が入力されるようになっている。また、ＥＣＵ５０は、第１の開閉弁２２、第２の開閉弁４１、ポンプ６３、空気調圧弁６４、流量設定計７３、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８３、８４等に作動指示信号（制御信号）を出力するようになっている。なお、ＥＣＵ５０は、電力貯蔵手段８２から給電されることで作動する。
【００５３】
また、ＥＣＵ５０は、図示しない電圧検出器から、小容量燃料電池３０を構成する複数のセルのうちの一部のセルにおける出力電圧の測定値が入力されるようになっている。そして、ＥＣＵ５０は、この一部のセルにおける出力電圧値から主燃料電池１０の内部状態を診断する。さらに、ＥＣＵ５０はこの診断結果に応じて、主燃料電池１０の内部状態が適正な状態に維持されるように、燃料電池システムの各種制御を行うようになっている。
【００５４】
このように構成された燃料電池システムでは、次のようにして、主燃料電池１０の発電が行われる。
【００５５】
まず、主燃料電池１０の発電開始時では、水素ガス排出経路２１の第１の開閉弁２２が開けられ、反応阻害物質排出経路４０の第２の開閉弁４１が閉じられる。すなわち、水素ガスが流れる通路が第２の開閉弁４１で閉塞され、主燃料電池１０、水素ガス排出経路２１および小容量燃料電池３０への水素ガスの供給が可能となる。
【００５６】
この状態で、水素ボンベ２３から水素ガス供給経路２０を介して、主燃料電池１０へ水素ガスが供給される。また、ポンプ６３により、空気供給経路６１を介して、主燃料電池１０に空気が供給される。これにより、主燃料電池１０で発電が行われる。
【００５７】
このとき、主燃料電池１０と小容量燃料電池３０での発電に必要な量の水素ガスが供給される。したがって、主燃料電池１０に供給された水素ガスのうち、主燃料電池１０で発電に使用されない未反応水素ガスが、水素ガス排出経路２１を介して、小容量燃料電池３０に供給される。また、主燃料電池１０から排出された空気が、流量設定計７３、空気供給経路７１を介して、小容量燃料電池３０に供給される。これにより、小容量燃料電池３０で発電が行われる。
【００５８】
次に、主燃料電池１０および小容量燃料電池３０の発電時における反応阻害物質の排出方法について説明する。
【００５９】
本実施形態の燃料電池システムでは、小容量燃料電池３０を構成する２０個のセルのうち、空気供給口３１、水素ガス供給口３３側から１番目のセルと、２０番目のセルの電圧値に基づいて、小容量燃料電池３０の内部状態を診断する。そして、この燃料電池システムでは、ＥＣＵ５０により、小容量燃料電池３０の内部状態から、主燃料電池１０の内部状態を適正な状態に維持するための各種制御を行う。なお、この１番目のセルおよび２０番目のセルが、本発明の第１のセルおよび第２のセルに相当する。
【００６０】
まず、小容量燃料電池３０の内部状態の診断について説明する。図２に、小容量燃料電池３０の内部が各種の状態となっているときにおける小容量燃料電池３０の各セルの電圧値を示す。なお、図中では、小容量燃料電池３０の内部状態のうち、適正な状態の場合を破線で示し、窒素過多の状態の場合を一点鎖線で示し、乾燥状態の場合を細い実線で示し、水分過多の状態の場合を太い実線で示している。
【００６１】
また、横軸に示されているセルの番号は、空気供給口３１、水素ガス供給口３３側からの順番を示している。したがって、１番のセルは空気供給口３１、水素ガス供給口３３に最も近い位置のセルであり、２０番のセルは空気排出口３２、反応阻害物質排出口３４に最も近い位置のセルである。また、この測定値は、小容量燃料電池３０が負荷８１等に電力を供給していない状態、すなわち、開放時における開放電位の測定値である。図２中の基準電圧とは、小容量燃料電池３０の内部が正常な状態なときにおける各セルの電圧値であり、例えば、１Ｖ（ボルト）である。
【００６２】
図２に示すように、小容量燃料電池３０の内部が適正な状態では、全てのセルの電圧値は基準電圧値と同等の値となる。ここで、小容量燃料電池３０の内部が適正な状態とは、電解質膜の水分量が適切な量であって、水素極、酸素極近傍に水素ガス、空気の拡散を阻害するような水分が存在しない状態で、かつ、各セルの水素ガス通路における水素ガス濃度が適切な状態をいう。
【００６３】
しかし、小容量燃料電池３０の内部が窒素過多の状態の場合、全てのセルの電圧は、基準電圧よりも低くなる。これは、窒素過多の状態の場合、全てのセルにおいて、水素ガス通路に窒素が存在し、水素ガス濃度が低くなるためである。なお、窒素は、特に、小容量燃料電池３０の内部の反応阻害物質排出口３４側に溜まる。このため、空気排出口３２、反応阻害物質排出口３４側のセルでは、他のセルと比べて、特に電圧が基準電圧よりも低くなる。
【００６４】
一方、小容量燃料電池３０の内部が乾燥している場合、１番目のセルのように、空気供給口３１、水素ガス供給口３３側のセルの電圧は、基準電圧よりも低くなる。これは次の理由による。小容量燃料電池３０の内部では、空気供給口３１、水素ガス供給口３３に近い部位ほど、空気や水素ガスの流速が速く、空気や水素ガスの流速が速いほど、それに接した水分の蒸発速度が速い。小容量燃料電池３０の内部では、空気排出口３２、反応阻害物質排出口３４に近いほど、空気、水素ガスの蒸気圧が高く、水分が蒸発しにくい。このため、空気供給口３１、水素ガス供給口３３側のセルが他のセルよりも乾燥しやすい。この結果、電解質膜の乾燥により、水素イオン移動度が低下するので、空気供給口３１、水素ガス供給口３３側のセルの電圧が低下するのである。
【００６５】
反対に、小容量燃料電池３０の内部が水分過多の状態の場合、２０番目のセルのように、空気排出口３２、反応阻害物質排出口３４側のセルの電圧が基準電圧よりも低くなる。これは次の理由による。小容量燃料電池３０の内部では、空気供給口３１から空気排出口３２に向かって空気が流れ、水素ガス供給口３３から反応阻害物質排出口３４に向かって水素ガスが流れる。このため、空気排出口３２、反応阻害物質排出口３４側に水分が溜まりやすく、この水分によって、空気や水素ガスの拡散が阻害される。この結果、空気排出口３２、反応阻害物質排出口３４側のセルの電圧が低下するのである。
【００６６】
図３に、１番目のセルおよび２０番目のセルの電圧降下の有無と、小容量燃料電池３０の内部状態との関係を示す。図３に示すように、図２に示す小容量燃料電池３０の各セルの電圧値から、１番目のセルおよび２０番目のセルの電圧降下の有無と、小容量燃料電池３０の内部状態とに規則性があることがわかる。
【００６７】
すなわち、パターン１のように、電圧降下が１番目のセルと２０番目のセルの両方とも無い場合、小容量燃料電池３０の内部状態は適正である。これに対して、パターン２のように、１番目のセルのみ電圧降下がある場合（図２中の矢印Ａ参照）、小容量燃料電池３０の内部は乾燥している。パターン３のように、２０番目のセルのみ電圧降下がある場合（図２中の矢印Ｂ参照）、小容量燃料電池３０の内部は水分過多の状態である。また、パターン４のように、１番目、２０番目のセルの両方に電圧降下がある場合（図２中の矢印Ｃ、Ｄ参照）、小容量燃料電池３０の内部は窒素過多の状態である。
【００６８】
そこで、本実施形態では、１番目、２０番目のセルの開放電位を測定し、それらの測定値が基準電圧値よりも所定の値以上低いか否かを調べるようにしている。そして、本実施形態では、その結果が、上記したように、図３に示すパターンのいずれに該当するかで、小容量燃料電池３０の内部状態を診断できる。
【００６９】
次に、小容量燃料電池３０の内部状態に基づく主燃料電池１０の内部状態を適正な状態に維持するための各種制御について説明する。図４に、ＥＣＵ５０が実行する小容量燃料電池３０の内部状態の診断処理および主燃料電池１０を適正な状態に維持するための制御処理のフローチャートを示す。
【００７０】
なお、図４に示す処理は、小容量燃料電池３０の発電が開始したときに実行される。具体的には、この燃料電池システムを電気自動車に適用した場合であれば、イグニッションスイッチがオンとなり、主燃料電池１０が発電を開始した所定時間後に、実行される。なお、この所定時間というのは、主燃料電池１０の発電が開始され、主燃料電池１０から水素ガスが小容量燃料電池３０に供給されて、小容量燃料電池３０が開始するまでの時間である。
【００７１】
また、図４に示す処理は、小容量燃料電池３０が発電中であれば、所定の周期で繰り返され、小容量燃料電池３０の発電停止、すなわち、主燃料電池１０の発電停止により、終了する。
【００７２】
まず、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８４を停止させ、小容量燃料電池３０が第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８４に電力を供給しない状態とする。そして、図示しない電圧検出器により、小容量燃料電池３０の１番目のセルと２０番目のセルの電圧値を測定し、その測定結果を電圧検出器からＥＣＵ５０に向けて出力する。
【００７３】
ステップ９１では、電圧検出器から小容量燃料電池３０の１番目のセルと２０番目のセルの電圧値が入力される。
【００７４】
ステップ９２では、入力された１番目のセルの電圧値が、基準電圧値と比較され、所定電圧以上、低くなっているか否かが判定される。なお、基準電圧値は、あらかじめＥＣＵ５０に記憶されている。そして、１番目のセルの電圧値が、電圧基準値よりも低い、すなわち、電圧降下があり（ＹＥＳ）と判定された場合、ステップ９３に進み、反対に、電圧基準値よりも低くない、すなわち、電圧降下無し（ＮＯ）と判定された場合、ステップ９４に進む。
【００７５】
ステップ９３、９４では、ステップ９１で入力された２０番目のセル電圧値が、基準電圧値と比較され、所定電圧以上、低くなっているか否かが判定される。
【００７６】
そして、ステップ９３で、２０番目のセルは電圧降下無し（ＮＯ）と判定された場合、図３中のパターン２に該当するので、ステップ９５で、小容量燃料電池３０の内部は乾燥状態であると診断される。
【００７７】
ここで、主燃料電池１０の内部の水分は、水素ガス排出経路２１を介して、小容量燃料電池３０に入る。このため、主燃料電池１０の内部の水分状態と小容量燃料電池３０の内部の水分状態はほぼ同等である。したがって、小容量燃料電池３０の内部が乾燥している場合、主燃料電池１０も同様に乾燥している。
【００７８】
そこで、ＥＣＵ５０が、主燃料電池１０の内部に水分を補給するための制御を行う。すなわち、ステップ９６で、加湿器６５に対して、空気の加湿量を増加させる旨の指示信号が出力される。これにより、加湿器６５の加湿量が増加され、主燃料電池１０の内部に水分が補給される。
【００７９】
また、ステップ９３で、２０番目のセルは電圧降下あり（ＹＥＳ）と判定された場合、図３中のパターン４に該当するので、ステップ９７で、小容量燃料電池３０の内部は窒素過多状態であると診断される。
【００８０】
ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、水素ガスは、水素ボンベ２３から、主燃料電池１０を経由して、小容量燃料電池３０に供給される。このため、主燃料電池１０において、酸素極側から水素極側に移動した窒素は、未反応水素ガスとともに、小容量燃料電池３０に送られる。したがって、本実施形態では、窒素は、小容量燃料電池３０に溜まった後、主燃料電池１０に溜まる。このことから、主燃料電池１０の内部の水素ガス通路に窒素が溜まる前に、小容量燃料電池３０の内部の窒素を放出すれば、主燃料電池１０の内部の水素ガス通路に窒素が溜まるのを防ぐことができる。
【００８１】
そこで、ステップ９８で、第１の開閉弁２２に対して、閉じる旨の作動指示信号が出力され、ステップ９９で、第２の開閉弁４１に対して、開ける旨の作動指示信号が出力される。これにより、第１の開閉弁２２が閉じられ、第２の開閉弁４１が開けられる。そして、小容量燃料電池３０の内部に溜まった窒素が燃料電池システムの外部に排出される。この結果、主燃料電池１０の内部における水素濃度が低下するのを抑制することができる。
【００８２】
窒素が排出された後、ステップ１００で、第２の開閉弁４１に対して、閉じる旨の作動指示信号が出力され、ステップ１０１で、第１の開閉弁２２に対して、開ける旨の作動指示信号が出力される。これにより、第２の開閉弁４１が閉じられ、第１の開閉弁２２が開けられ、燃料電池システムの発電初期の状態となる。
【００８３】
また、ステップ９４で、２０番目のセルは電圧降下あり（ＹＥＳ）と判定された場合、図３中のパターン３に該当するので、ステップ１０２で、小容量燃料電池３０の内部は水分過多状態であると診断される。
【００８４】
ここで、上記したように、主燃料電池１０の内部の水分状態と小容量燃料電池３０の内部の水分状態はほぼ同等である。このため、小容量燃料電池３０の内部が水分過多状態であれば、主燃料電池１０の内部も水分過多状態である。
【００８５】
そこで、ステップ１０３では、加湿器６５に対して、空気の加湿量を減少もしくは、加湿を停止する旨の作動指示信号が出力される。これにより、加湿器６５の加湿量が減少もしくは加湿器６５の運転が停止される。
【００８６】
さらに、ステップ９８、９９により、第１の開閉弁２２が閉じられ、第２の開閉弁４１が開けられる。これにより、小容量燃料電池３０の内部に溜まった水分が、燃料電池システムの外部に排出される。その後、ステップ１００、１０１が行われる。
【００８７】
また、ステップ９４で、２０番目のセルは電圧降下無し（ＮＯ）と判定された場合、図３中のパターン１に該当するので、ステップ１０４で、小容量燃料電池３０の内部は適正な状態であると判定される。上記したように、主燃料電池１０の内部の水分状態と小容量燃料電池３０の内部の水分状態はほぼ同等である。また、小容量燃料電池３０の水素ガス通路に存在する窒素量が多くなければ、すなわち、水素濃度が適切であれば、当然に、主燃料電池１０の内部での水素濃度は適切である。
【００８８】
したがって、主燃料電池１０の内部状態は適切であるので、主燃料電池１０の内部状態を適切にする制御は何もされない。
【００８９】
以上のようにして、主燃料電池１０の内部状態の診断処理および主燃料電池１０を適正な状態に維持するための制御処理が、ＥＣＵ５０によって実行される。
【００９０】
本実施形態の燃料電池システムは、以上説明したように、主燃料電池１０と、主燃料電池１０に接続された水素ガス排出経路２１と、水素ガス排出経路２１に設けられた第１の開閉弁２２と、水素ガス排出経路２１に接続された小容量燃料電池３０と、小容量燃料電池３０に接続された反応阻害物質排出経路４０と、反応阻害物質排出経路４０に設けられた第２の開閉弁４１とを備えている。
【００９１】
そして、主燃料電池１０を発電させる場合、第１の開閉弁２２を開け、第２の開閉弁４１を閉じた状態としている。発電時では、水素ボンベ２３から主燃料電池１０および小容量燃料電池３０の発電に必要な量の水素ガスを主燃料電池１０に供給している。
【００９２】
このとき、主燃料電池１０および小容量燃料電池３０は直列に接続されているので、水素ガスは、主燃料電池１０の内部を通って、小容量燃料電池３０に到達する。また、小容量燃料電池３０の発電開始前であれば、小容量燃料電池３０の内部に水素が存在せず、また、小容量燃料電池３０の発電時においても、小容量燃料電池３０の内部の水素ガスが発電に使用される。このため、小容量燃料電池３０の内部の水素濃度は、水素ガスが供給される主燃料電池１０の内部よりも低い。したがって、主燃料電池１０に水素ガスが供給された場合、小容量燃料電池３０にも、水素ガスが供給される。
【００９３】
ここで、小容量燃料電池３０を有していない単なる水素閉塞型の燃料電池システムでは、主燃料電池１０を構成する複数のセルの全てにおいて、セルにおける水素ガス通路の末端側に、窒素、水分等が溜まってしまう。そして、水素ガスが、各セルの水素ガス通路の末端側にまで水素ガスが流れず、その部位では、窒素等によって、水素濃度が低下するため、起電反応が阻害されてしまう。
【００９４】
これに対して、本実施形態の燃料電池システムでは、上記したように、小容量燃料電池３０が、主燃料電池１０の水素経路の下流側に直列に接続されている。このため、小容量燃料電池３０が、主燃料電池１０の内部全体に水素ガスを流すポンプの役割を果たす。すなわち、小容量燃料電池３０によって、主燃料電池１０の内部に水素ガスの流れを形成させることができる。
【００９５】
したがって、本実施形態によれば、主燃料電池１０を構成する複数のセルの全てにおける水素ガス通路の末端側に、窒素、水分等の反応阻害物質が溜まるのを抑制することができる。これにより、主燃料電池１０のセルに反応阻害物質が溜まることによって、燃料電池の発電効率が低下するのを抑制することができる。
【００９６】
また、本実施形態では、反応阻害物質が小容量燃料電池３０の内部に留まるので、反応阻害物質を燃料電池システムから排出する場合、第１の開閉弁２２を閉めている。このように、第１の開閉弁２２を閉めた状態で、小容量燃料電池３０の内部に存在する反応阻害物質を外部に排出することで、主燃料電池１０の内部に存在する水素ガスが、主燃料電池１０の外部に排出されないようにすることができる。
【００９７】
これにより、本実施形態によれば、主燃料電池１０の発電を止めることなく、反応阻害物質を燃料電池システムの外部に放出することができる。以上のことから、本実施形態の燃料電池システムによれば、安定した状態で燃料電池を運転することができる。
【００９８】
さらに、小容量燃料電池３０は、主燃料電池１０よりも最大出力が小さいことから、発電に必要な水素ガスの量も、主燃料電池１０よりも少ない。したがって、小容量燃料電池３０から反応阻害物質を排出するとき、水素ガスも一緒に排出されるが、このとき排出される水素ガスの量は、仮に、主燃料電池１０の内部の水素ガスを全部排出するとした場合と比較して、少ない。また、小容量燃料電池３０の発電によって出力された電力は、電力貯蔵手段８２に貯蔵される。
【００９９】
これらのことから、本実施形態の燃料電池システムでは、上記発明が解決する課題の欄で説明した単なる水素閉塞型の燃料電池と比較して、燃料電池の燃費が向上している。
【０１００】
また、本実施形態では、主燃料電池１０および小容量燃料電池３０の発電時において、１番目、２０番目のセルの開放電位を測定している。そして、ステップ９２、９３、９４で、それらの測定値と、基準電圧値（小容量燃料電池３０の内部における水素濃度、水分量が適正な状態のときの電圧値）と比較し、それらの測定値が基準電圧値よりも所定の値以上低いか否かを判定している。
【０１０１】
その結果、ステップ９５で、図３中のパターン２のように、１番目のセルのみ電圧降下がある場合、小容量燃料電池３０の内部は乾燥していると判定している。また、ステップ９７で、パターン４のように、１番目、２０番目のセルの両方に電圧降下がある場合、小容量燃料電池３０の内部は窒素過多の状態であると判定している。また、ステップ１０２で、パターン３のように、２０番目のセルのみ電圧降下がある場合、小容量燃料電池３０の内部は水分過多の状態であると判定している。また、ステップ１０４で、パターン１のように、電圧降下が１番目のセルと２０番目のセルの両方とも無い場合、小容量燃料電池３０の内部状態は適正であると判定している。
【０１０２】
ここで、小容量燃料電池３０には、主燃料電池１０から未反応水素ガスが供給される。このため、主燃料電池１０の内部での水分量が多い場合、その水分が水素ガスとともに、小容量燃料電池３０に流れこむ。したがって、主燃料電池１０の内部の水分量が多い場合、小容量燃料電池３０の内部での水分量も多くなる。一方、主燃料電池１０の内部の水分量が少ない場合、小容量燃料電池３０の内部での水分量も少なくなる。
【０１０３】
そこで、ＥＣＵ５０が、小容量燃料電池３０の内部の水分量が多いと判定した場合、主燃料電池１０の内部の水分量が多く、小容量燃料電池３０の内部の水分量が少ないと判定した場合であれば、主燃料電池１０の内部の水分量が少ないことがわかる。
【０１０４】
また、窒素等の反応阻害物質は、主燃料電池１０の水素ガス供給口１１から遠い部位から順に増える。本実施形態では、主燃料電池１０の内部における水素ガス通路と、小容量燃料電池３０の内部における水素ガス通路とが直列に接続されている。したがって、主燃料電池１０の水素ガス供給口１１から最も遠い小容量燃料電池３０の内部から、反応阻害物質の量が主燃料電池１０よりも先に増え、水素濃度が低下する。
【０１０５】
そこで、ＥＣＵ５０が、小容量燃料電池３０の内部の水素濃度が低いと判定した場合であれば、小容量燃料電池３０の内部における反応阻害物質の量が多くなっているので、主燃料電池１０の内部に反応阻害物質が存在し始めることを予測することができる。
【０１０６】
また、本実施形態では、さらに、ＥＣＵ５０によるステップ９５、９７、１０２、１０４での判定に応じて、ステップ９６、１０３で、ＥＣＵ５０により、加湿器６５による加湿量を制御している。これにより、主燃料電池１０の内部の水分量を調整することができる。
【０１０７】
また、ステップ９８〜１０１で、ＥＣＵ５０により、第１の開閉弁２２や第２の開閉弁４１の開閉を制御している。すなわち、第１の開閉弁を閉じ、第２の開閉弁を開けることで、主燃料電池１０で発電をし続けたまま、小容量燃料電池３０の内部に溜まった窒素、水等の反応阻害物質を放出させることができる。
【０１０８】
以上のことから、本実施形態の燃料電池システムによれば、主燃料電池１０の内部を適正な状態に維持することができる。
【０１０９】
（他の実施形態）
上記した実施形態では、小容量燃料電池３０の空気供給経路７１を、主燃料電池１０の空気排出経路６２に接続させた場合を例として説明したが、小容量燃料電池３０の空気供給経路７１を燃料電池１０の空気排出経路６２に接続させずに、小容量燃料電池３０へ空気を供給することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】図１中の小容量燃料電池３０の内部が各種の状態となっているときにおける小容量燃料電池３０の各セルの電圧値を示す図である。
【図３】図１中の小容量燃料電池３０の１番目のセルおよび２０番目のセルの電圧降下の有無と、小容量燃料電池３０の内部状態との関係を示す図表である。
【図４】ＥＣＵ５０が実行する小容量燃料電池３０の内部状態の診断処理および主燃料電池１０の内部を適正な状態に維持するための制御処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１１】
１０…主燃料電池、１３…水素ガス供給口、
２１…水素ガス排出経路、２２…第１の開閉弁、
３０…小容量燃料電池、３１…小容量燃料電池の空気供給口、
３３…小容量燃料電池の水素ガス供給口、
３４…小容量燃料電池の反応阻害物質排出口、
４０…反応阻害物質排出経路、４１…第２の開閉弁、５０…ＥＣＵ。
【図１】
2005222775.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005222775.tif 000005
【図４】
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